JP4346930B2 - 燃料電池の空気供給装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池の空気供給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池としては、例えば固体高分子電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）などが知られている。この燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなり、アノード電極に燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給し、カソード電極に酸化剤ガスを供給することによって発電する。この発電電力を燃料電池自動車の駆動モータや、燃料電池を稼働させるのに必要な補機類（例えば燃料電池へ空気を供給するエアコンプレッサや冷却水を循環させるウォータポンプなど）に供給する。
この燃料電池では、酸化剤ガスとして空気中の酸素を用いるのが一般的であり、大気から空気を取り込んで燃料電池に圧送している。ところで、大気中には塵埃が含まれているので、燃料電池のカソード電極に供給する前に空気中の塵埃を除去する必要があり、このような技術としては特許文献１、特許文献２、特許文献３などが知られている。
また、大気中には有機溶剤等の有機物が存在するが、このような有機物が燃料電池に供給されると燃料電池に悪影響を及ぼし、燃料電池が劣化する場合がある。そこで、空気中の有機物を吸着剤で吸着したり（特許文献１参照）、光触媒で酸化分解したり（特許文献２参照）、触媒で燃焼させたりして（特許文献３参照）、有機物を除去した空気を燃料電池に供給している。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−９４２００号公報
【特許文献２】
特開２００２−３７３６９６号公報
【特許文献３】
特開２０００−２７７１３９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、有機物を酸化し分解した場合、その有機物に硫黄、窒素、塩素などが含まれていると、ＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等が生成される。また、空気中に硫黄化合物、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯ、ダイオキシンなどが含まれていると、これらも有機物とともに酸化分解してＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等が生成される。これらＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等が燃料電池に供給されると燃料電池の電極に含まれる触媒を被毒したり、電解質の変質を引き起こすなど、燃料電池に悪影響を与え、燃料電池の性能を低下させる場合がある。
そこで、この発明は、有機物を除去することができるとともに、ＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等の有害成分も除去可能な燃料電池の空気供給装置を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、カソード電極（例えば、後述する実施の形態におけるカソード電極２ｃ）に酸化剤としての空気が供給されアノード電極（例えば、後述する実施の形態におけるアノード電極２ｂ）に燃料ガスが供給されて発電をする燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池２）と、前記燃料電池のカソード電極に空気を供給する空気供給路（例えば、後述する実施の形態における空気供給路６）と、前記空気供給路に設けられ、静電フィルタ（例えば、後述する実施の形態における静電フィルタ３１）と活性炭フィルタ（例えば、後述する実施の形態における活性炭フィルタ３４）のいずれかに空気中に含まれる有機物を酸化し分解する酸化触媒（例えば、後述する実施の形態における酸化触媒３３）を担持して構成された第１フィルタ（例えば、後述する実施の形態における第１フィルタ３０）と、前記第１フィルタの下流に設けられ、前記第１フィルタの触媒反応によって生成された前記燃料電池に対する有害成分の除去を行う陰イオン交換樹脂（イオン交換樹脂４１）を有する第２フィルタ（例えば、後述する実施の形態における第２フィルタ４０）と、を備えたことを特徴とする燃料電池の空気供給装置（例えば、後述する実施の形態における空気供給装置１）である。
このように構成することにより、空気中の塵埃および有機物を第１フィルタで捕集し除去することができ、さらに第１フィルタで捕集した有機物を酸化触媒で酸化し分解することができる。この有機物の酸化・分解の際に、ＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等の燃料電池に対する有害成分が生じても、これら有害成分を第２フィルタによって除去することができる。
【０００７】
請求項２に係る発明は、カソード電極（例えば、後述する実施の形態におけるカソード電極２ｃ）に酸化剤としての空気が供給されアノード電極（例えば、後述する実施の形態におけるアノード電極２ｂ）に燃料ガスが供給されて発電をする燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池２）と、前記燃料電池のカソード電極に空気を供給する空気供給路（例えば、後述する実施の形態における空気供給路６）と、前記空気供給路に設けられ、静電フィルタ（例えば、後述する実施の形態における静電フィルタ３１）と活性炭フィルタ（例えば、後述する実施の形態における活性炭フィルタ３４）のいずれかに空気中に含まれる有機物を酸化し分解する光触媒（例えば、後述する実施の形態における光触媒３２）を担持して構成された第１フィルタ（例えば、後述する実施の形態における第１フィルタ３０）と、前記第１フィルタの下流に設けられ、前記第１フィルタの触媒反応によって生成された前記燃料電池に対する有害成分の除去を行う陰イオン交換樹脂（イオン交換樹脂４１）を有する第２フィルタ（例えば、後述する実施の形態における第２フィルタ４０）と、を備えたことを特徴とする燃料電池の空気供給装置（例えば、後述する実施の形態における空気供給装置１）である。
このように構成することにより、空気中の塵埃および有機物を第１フィルタで捕集し除去することができ、さらに第１フィルタで捕集した有機物を光触媒で酸化し分解することができる。この有機物の酸化・分解の際に、ＮＯ ３ やＳＯ ３ やＳＯ ４ やＣｌ ２ 等の燃料電池に対する有害成分が生じても、これら有害成分を第２フィルタによって除去することができる。
【０００８】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の発明において、前記第１フィルタの上流に、前記空気供給路を流れる空気によって回転する回転体（例えば、後述する実施の形態におけるプロペラ２３）と該回転体の回転により発電される電力を供給されて発光する発光部（例えば、後述する実施の形態における発光部２４）とを備えた光発生手段（例えば、後述する実施の形態における光発生装置２０）が設けられ、前記発光部からの光が前記第１フィルタの前記光触媒に照射されることを特徴とする。
このように構成することにより、空気流以外の動力なしに発光部を発光させ、光触媒を励起状態にすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池の空気供給装置の実施の形態を図１から図５の図面を参照して説明する。なお、この実施の形態は、燃料電池自動車に搭載される燃料電池の空気供給装置の態様である。
〔第１の実施の形態〕
初めに、この発明に係る空気供給装置の第１の実施の形態を図１および図２の図面を参照して説明する。
図１は空気供給装置１を備えた燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池２は、固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜２ａをアノード電極２ｂとカソード電極２ｃとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタック（図１では単セルのみ示す）からなり、アノード電極２ｂに燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード電極２ｃに酸化剤としての酸素を含む空気を供給すると、アノード電極２ｂで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２ａを通過してカソード電極２ｃまで移動して、カソード電極２ｃで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。
【００１０】
水素タンクから供給される水素ガスは、水素ガス供給路３を通って燃料電池２のアノード電極２ｂに供給され、消費されなかった未反応の水素ガスは燃料電池２からアノード電極２ｂオフガスとして水素ガス循環路４に排出され、さらに水素ガス供給路３に戻されて循環利用される。
大気から取り込んだ空気はプレフィルタ９で粗大な塵埃を除去された後、コンプレッサ５によって加圧され、空気供給路６を介して燃料電池２のカソード電極２ｃに供給される。空気供給路６には空気中の微細な塵埃、有機物、燃料電池２に対する有害成分（ＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等）を除去する空気浄化装置１０が設けられており、空気浄化装置１０によって清浄にされた空気が燃料電池２のカソード電極２ｃに供給される。燃料電池２に供給された空気は発電に供された後、燃料電池２からカソードオフガスとして空気排出路７に排出され、背圧弁８を介して大気に放出される。
【００１１】
次に、図２を参照して、空気浄化装置１０について詳述する。
空気浄化装置１０は、空気供給路６を構成する円筒状の管体１１に設けられており、光発生装置２０、第１フィルタ３０、第２フィルタ４０を備えている
第１フィルタ３０は静電フィルタ３１に例えばＴｉＯ２などからなる光触媒３２を担持して構成されている。静電フィルタ３１は、電荷をかけて表面を帯電させることにより静電力を発生させ、この静電力で空気中の微粒子を引き付けて捕集するものであり、空気中の有機物も捕集することができる。
【００１２】
この第１フィルタ３０の上流側（コンプレッサ５に近い側）に、光触媒３２を励起させるための光発生装置２０が設置されている。
光発生装置２０は、ブラケット２１を介して管体１１の内壁に支持された発電機２２と、管体１１内の空気流によって回転しその回転力を発電機２２のロータ（図示せず）に伝達するプロペラ（回転体）２３と、第１フィルタ３０の直ぐ上流に配置されて発電機２２から供給される電力で発光する発光部２４と、を備えて構成されている。発光部２４は、紫外光または波長の短い可視光を照射するものであり、例えば、発光ダイオード、有機エレクトロルミネセンス、蛍光灯などで構成することができる。
【００１３】
この空気浄化装置１０においては、燃料電池２に空気を供給しているときには常に発電機２２で発電した電力が発光部２４に供給されるようにされており、発光部２４から光触媒励起用の光が第１フィルタ３０の光触媒３２に向けて照射される。これによって、光触媒３２が光エネルギーを吸収して励起状態になる。
【００１４】
第２フィルタ４０はイオン交換樹脂４１が充填されてなるイオン交換樹脂フィルタ４２で構成されている。イオン交換樹脂４１は陰イオン交換樹脂と陽イオン交換樹脂とが直列に並んで配置され、陰イオン交換樹脂でＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等を吸着させ、陽イオン交換樹脂でＮａイオン等を吸着させるようにしている。どちらのイオン交換樹脂も湿潤状態に保持する必要があり、そのために、第１フィルタ３０と第２フィルタ４０の間に設置された給水管５０から第２フィルタ４０に水を供給できるようされている。
【００１５】
このように構成された空気浄化装置１０においては、管体１１を流れてきた空気が第１フィルタ３０を通過する際に、空気中の微細な塵埃および有機物が第１フィルタ３０の静電フィルタ３１に捕集される。さらに、静電フィルタ３１に捕集された有機物は、光発生装置２０から光を照射されて励起状態となった光触媒３２上で酸化されて分解する。また、空気中に含まれる有害物質（例えば、硫化水素などの硫黄化合物、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯ、ダイオキシンなど）も光触媒３２上で酸化されて分解する。
【００１６】
そして、前記有機物や有害物質中に硫黄、窒素、塩素などが含まれていると、有機物や有害物質の分解の際に、ＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等が生成され、これらは第１フィルタ３０では除去することができず、下流へと流れていく。これらＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等は燃料電池２にとっては有害成分であり、これらが燃料電池２のカソード電極２ｃに供給されると、カソード電極２ｃに含まれる触媒を被毒したり、固体高分子電解質膜２ａの変質を引き起こすなど、燃料電池２に悪影響を与え、燃料電池２の性能が低下する場合がある。
【００１７】
しかしながら、この空気浄化装置１０には、第１フィルタ３０の下流にイオン交換樹脂フィルタ４２からなる第２フィルタ４０が配置されているので、ＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等の有害成分がイオン交換樹脂４１に含まれる水と反応して水和しイオン化して、イオン交換樹脂４１に吸着される。
また、空気中に元々含まれていたＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等も第２フィルタ４０のイオン交換樹脂４１に吸着される。
したがって、この空気浄化装置１０を備えた空気供給装置１によれば、塵埃、有機物、燃料電池２に対する有害成分（ＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等）が除去された清浄な空気を燃料電池２のカソード電極２ｃに供給することができる。その結果、カソード電極２ｃが塵埃の付着によって目詰まりすることがなくなり、電極の目詰まりに起因する燃料電池２の出力低下を防止することができる。また、燃料電池２のカソード電極２ｃに含まれる触媒が被毒することがなく、固体高分子電解質膜２ａが変質することもなく、燃料電池２の性能低下を防止することができる。
【００１８】
また、光触媒３２を励起するための光発生装置２０の駆動源は、コンプレッサ５が燃料電池２に空気を供給するために発生させた空気流であるので、新たなエネルギ源が不要であり、装置構成を簡単化することができる。
【００１９】
〔第２の実施の形態〕
次に、この発明に係る空気供給装置の第２の実施の形態を図３の図面を参照して説明する。第２の実施の形態における空気供給装置１は、空気浄化装置１０の構成の一部が第１の実施の形態のものと相違する。
第２の実施の形態における空気浄化装置１０が第１の実施の形態のものと相違する点を以下に説明する。
第２の実施の形態では、第１フィルタ３０の静電フィルタ３１に光触媒３２が担持される代わりに、酸化触媒３３が担持されている。この酸化触媒３３は、硫黄化合物や一酸化炭素に被毒されにくい金属（例えば、白金−ルテニウム合金やルテニウム触媒等）で構成するのが好ましい。
また、第２の実施の形態では、光触媒３２を使用していないので光発生装置２０も設けられていない。
その他の構成については、第１の実施の形態の空気浄化装置１０と同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００２０】
このように構成された第２の実施の形態の空気浄化装置１０においては、管体１１を流れてきた空気が第１フィルタ３０を通過する際に、空気中の微細な塵埃および有機物が第１フィルタ３０の静電フィルタ３１に捕集される。さらに、静電フィルタ３１に捕集された有機物は、静電フィルタ３１に担持された酸化触媒３３上で酸化されて分解する。また、空気中に含まれる有害物質（例えば、硫化水素などの硫黄化合物、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯ、ダイオキシンなど）も酸化触媒３３上で酸化されて分解する。
【００２１】
そして、前記有機物や有害物質中に硫黄、窒素、塩素などが含まれていると、有機物や有害物質の分解の際に、燃料電池２に対して有害成分となるＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等が生成され、これらは第１フィルタ３０では除去することができず下流へと流れていくが、第２フィルタ４０を通過する際に、ＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等の有害成分はイオン交換樹脂４１に含まれる水と反応して水和しイオン化して、イオン交換樹脂４１に吸着される。
また、空気中に元々含まれていたＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等も第２フィルタ４０のイオン交換樹脂４１に吸着される。
【００２２】
したがって、この第２の実施の形態の空気供給装置１によっても、第１の実施の形態と同様に、塵埃、有機物、燃料電池２に対する有害成分（ＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等）が除去された清浄な空気を燃料電池２のカソード電極２ｃに供給することができる。その結果、カソード電極２ｃが塵埃の付着によって目詰まりすることがなくなり、電極の目詰まりに起因する燃料電池２の出力低下を防止することができる。また、燃料電池２のカソード電極２ｃに含まれる触媒が被毒することがなく、電解質が変質することもなく、燃料電池２の性能低下を防止することができる。
【００２３】
〔第３の実施の形態〕
次に、この発明に係る空気供給装置の第３の実施の形態を図４の図面を参照して説明する。第３の実施の形態における空気供給装置１は、空気浄化装置１０の構成の一部が第１の実施の形態のものと相違する。
第３の実施の形態における空気浄化装置１０が第１の実施の形態のものと相違する点を以下に説明する。
第３の実施の形態では、第１フィルタ３０の静電フィルタ３１の代わりに活性炭フィルタ３４が使用され、この活性炭フィルタ３４に光触媒３２が担持されて第１フィルタ３０が構成されている。
その他の構成については、第１の実施の形態の空気浄化装置１０と同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００２４】
このように構成された第３の実施の形態の空気浄化装置１０においては、管体１１を流れてきた空気が第１フィルタ３０を通過する際に、空気中の微細な塵埃、有機物、および有害物質（例えば、硫化水素などの硫黄化合物、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯ、ダイオキシンなど）が第１フィルタ３０の活性炭フィルタ３４に捕集される。さらに、活性炭フィルタ３４に捕集された有機物および前記有害物質は、光発生装置２０から光を照射されて励起状態となった光触媒３２上で酸化されて分解する。
【００２５】
そして、前記有機物や有害物質中に硫黄、窒素、塩素などが含まれていると、有機物や有害物質の分解の際に、燃料電池２に対して有害成分となるＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等が生成され、これらは第１フィルタ３０では除去することができず下流へと流れていくが、第２フィルタ４０を通過する際に、ＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等の有害成分はイオン交換樹脂４１に含まれる水と反応して水和しイオン化して、イオン交換樹脂４１に吸着される。
また、空気中に元々含まれていたＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等も第２フィルタ４０のイオン交換樹脂４１に吸着される。
【００２６】
したがって、この第３の実施の形態の空気供給装置１によっても、第１または第２の実施の形態と同様に、塵埃、有機物、燃料電池２に対する有害成分（ＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等）が除去された清浄な空気を燃料電池２のカソード電極２ｃに供給することができる。その結果、カソード電極２ｃが塵埃の付着によって目詰まりすることがなくなり、電極の目詰まりに起因する燃料電池２の出力低下を防止することができる。また、燃料電池２のカソード電極２ｃに含まれる触媒が被毒することがなく、電解質が変質することもなく、燃料電池２の性能低下を防止することができる。
【００２７】
〔第４の実施の形態〕
次に、この発明に係る空気供給装置の第４の実施の形態を図５の図面を参照して説明する。第４の実施の形態における空気供給装置１は、空気浄化装置１０の構成の一部が第２の実施の形態のものと相違する。
第４の実施の形態における空気浄化装置１０が第２の実施の形態のものと相違する点を以下に説明する。
第４の実施の形態では、第１フィルタ３０の静電フィルタ３１の代わりに活性炭フィルタ３４が使用され、この活性炭フィルタ３４に酸化触媒３３が担持されて第１フィルタ３０が構成されている。
その他の構成については、第２の実施の形態の空気浄化装置１０と同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００２８】
このように構成された第４の実施の形態の空気浄化装置１０においては、管体１１を流れてきた空気が第１フィルタ３０を通過する際に、空気中の微細な塵埃、有機物、および有害物質（例えば、硫化水素などの硫黄化合物、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯ、ダイオキシンなど）が第１フィルタ３０の活性炭フィルタ３４に捕集される。さらに、活性炭フィルタ３４に捕集された有機物および前記有害物質は、活性炭フィルタ３４に担持された酸化触媒３３上で酸化されて分解する。
【００２９】
そして、前記有機物や有害物質中に硫黄、窒素、塩素などが含まれていると、有機物や有害物質の分解の際に、燃料電池２に対して有害成分となるＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等が生成され、これらは第１フィルタ３０では除去することができず下流へと流れていくが、第２フィルタ４０を通過する際に、ＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等の有害成分はイオン交換樹脂４１に含まれる水と反応して水和しイオン化して、イオン交換樹脂４１に吸着される。
また、空気中に元々含まれていたＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等も第２フィルタ４０のイオン交換樹脂４１に吸着される。
【００３０】
したがって、この第４の実施の形態の空気供給装置１によっても、第１から第３の実施の形態と同様に、塵埃、有機物、燃料電池２に対する有害成分（ＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等）が除去された清浄な空気を燃料電池２のカソード電極２ｃに供給することができる。その結果、カソード電極２ｃが塵埃の付着によって目詰まりすることがなくなり、電極の目詰まりに起因する燃料電池２の出力低下を防止することができる。また、燃料電池２のカソード電極２ｃに含まれる触媒が被毒することがなく、電解質が変質することもなく、燃料電池２の性能低下を防止することができる。
【００３１】
〔他の実施の形態〕
なお、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、前述した各実施の形態では、給水管５０を介して第２フィルタ４０のイオン交換樹脂４１に水を供給するように構成したが、イオン交換樹脂は吸水性が高いので、空気中の水分で十分にイオンを水和することができる場合には、給水管５０を省略することも可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１または請求項２に係る発明によれば、空気中の塵埃および有機物を第１フィルタで捕集し除去することができ、また、第１フィルタで捕集した有機物を酸化触媒または光触媒で酸化し分解することができ、さらに、この有機物の酸化・分解の際に生じたＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等の燃料電池に対する有害成分を第２フィルタによって除去することができるので、これら塵埃や有機物やＮＯｘ等の有害成分が燃料電池のカソード電極に供給されるのを防止することができ、電極への塵埃付着による燃料電池の出力低下を防止することができ、カソード電極に含まれる触媒の被毒を防止することができ、電解質の変質を防止することができて、燃料電池の性能低下を防止することができるという優れた効果が奏される。
【００３３】
請求項３に係る発明によれば、空気流以外の動力なしに発光部を発光させ、光触媒を励起状態にすることができるので、新たなエネルギ源が不要であり、装置構成が簡単になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る空気供給装置を備えた燃料電池システムの第１の実施の形態における構成図である。
【図２】 前記第１の実施の形態における空気供給装置の要部断面図である。
【図３】 この発明の第２の実施の形態における空気供給装置の要部断面図である。
【図４】 この発明の第３の実施の形態における空気供給装置の要部断面図である。
【図５】 この発明の第４の実施の形態における空気供給装置の要部断面図である。
【符号の説明】
１ 空気供給装置
２ 燃料電池
２ｂ アノード電極
２ｃ カソード電極
６ 空気供給路
２０ 光発生装置
２３ プロペラ（回転体）
２４ 発光部
３０ 第１フィルタ
３１ 静電フィルタ
３２ 光触媒
３３ 酸化触媒
３４ 活性炭フィルタ
４０ 第２フィルタ
４１ イオン交換樹脂
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池の空気供給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池自動車等に搭載される燃料電池としては、例えば固体高分子電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）などが知られている。この燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなり、アノード電極に燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給し、カソード電極に酸化剤ガスを供給することによって発電する。この発電電力を燃料電池自動車の駆動モータや、燃料電池を稼働させるのに必要な補機類（例えば燃料電池へ空気を供給するエアコンプレッサや冷却水を循環させるウォータポンプなど）に供給する。
この燃料電池では、酸化剤ガスとして空気中の酸素を用いるのが一般的であり、大気から空気を取り込んで燃料電池に圧送している。ところで、大気中には塵埃が含まれているので、燃料電池のカソード電極に供給する前に空気中の塵埃を除去する必要があり、このような技術としては特許文献１、特許文献２、特許文献３などが知られている。
また、大気中には有機溶剤等の有機物が存在するが、このような有機物が燃料電池に供給されると燃料電池に悪影響を及ぼし、燃料電池が劣化する場合がある。そこで、空気中の有機物を吸着剤で吸着したり（特許文献１参照）、光触媒で酸化分解したり（特許文献２参照）、触媒で燃焼させたりして（特許文献３参照）、有機物を除去した空気を燃料電池に供給している。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−９４２００号公報
【特許文献２】
特開２００２−３７３６９６号公報
【特許文献３】
特開２０００−２７７１３９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、有機物を酸化し分解した場合、その有機物に硫黄、窒素、塩素などが含まれていると、ＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等が生成される。また、空気中に硫黄化合物、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯ、ダイオキシンなどが含まれていると、これらも有機物とともに酸化分解してＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等が生成される。これらＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等が燃料電池に供給されると燃料電池の電極に含まれる触媒を被毒したり、電解質の変質を引き起こすなど、燃料電池に悪影響を与え、燃料電池の性能を低下させる場合がある。
そこで、この発明は、有機物を除去することができるとともに、ＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等の有害成分も除去可能な燃料電池の空気供給装置を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、カソード電極（例えば、後述する実施の形態におけるカソード電極２ｃ）に酸化剤としての空気が供給されアノード電極（例えば、後述する実施の形態におけるアノード電極２ｂ）に燃料ガスが供給されて発電をする燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池２）と、前記燃料電池のカソード電極に空気を供給する空気供給路（例えば、後述する実施の形態における空気供給路６）と、前記空気供給路に設けられ、静電フィルタ（例えば、後述する実施の形態における静電フィルタ３１）と活性炭フィルタ（例えば、後述する実施の形態における活性炭フィルタ３４）のいずれかに空気中に含まれる有機物を酸化し分解する酸化触媒（例えば、後述する実施の形態における酸化触媒３３）を担持して構成された第１フィルタ（例えば、後述する実施の形態における第１フィルタ３０）と、前記第１フィルタの下流に設けられ、前記第１フィルタの触媒反応によって生成された前記燃料電池に対する有害成分の除去を行う陰イオン交換樹脂（イオン交換樹脂４１）を有する第２フィルタ（例えば、後述する実施の形態における第２フィルタ４０）と、を備えたことを特徴とする燃料電池の空気供給装置（例えば、後述する実施の形態における空気供給装置１）である。
このように構成することにより、空気中の塵埃および有機物を第１フィルタで捕集し除去することができ、さらに第１フィルタで捕集した有機物を酸化触媒で酸化し分解することができる。この有機物の酸化・分解の際に、ＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等の燃料電池に対する有害成分が生じても、これら有害成分を第２フィルタによって除去することができる。
【０００７】
請求項２に係る発明は、カソード電極（例えば、後述する実施の形態におけるカソード電極２ｃ）に酸化剤としての空気が供給されアノード電極（例えば、後述する実施の形態におけるアノード電極２ｂ）に燃料ガスが供給されて発電をする燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池２）と、前記燃料電池のカソード電極に空気を供給する空気供給路（例えば、後述する実施の形態における空気供給路６）と、前記空気供給路に設けられ、静電フィルタ（例えば、後述する実施の形態における静電フィルタ３１）と活性炭フィルタ（例えば、後述する実施の形態における活性炭フィルタ３４）のいずれかに空気中に含まれる有機物を酸化し分解する光触媒（例えば、後述する実施の形態における光触媒３２）を担持して構成された第１フィルタ（例えば、後述する実施の形態における第１フィルタ３０）と、前記第１フィルタの下流に設けられ、前記第１フィルタの触媒反応によって生成された前記燃料電池に対する有害成分の除去を行う陰イオン交換樹脂（イオン交換樹脂４１）を有する第２フィルタ（例えば、後述する実施の形態における第２フィルタ４０）と、を備えたことを特徴とする燃料電池の空気供給装置（例えば、後述する実施の形態における空気供給装置１）である。
このように構成することにより、空気中の塵埃および有機物を第１フィルタで捕集し除去することができ、さらに第１フィルタで捕集した有機物を光触媒で酸化し分解することができる。この有機物の酸化・分解の際に、ＮＯ ３ やＳＯ ３ やＳＯ ４ やＣｌ ２ 等の燃料電池に対する有害成分が生じても、これら有害成分を第２フィルタによって除去することができる。
【０００８】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の発明において、前記第１フィルタの上流に、前記空気供給路を流れる空気によって回転する回転体（例えば、後述する実施の形態におけるプロペラ２３）と該回転体の回転により発電される電力を供給されて発光する発光部（例えば、後述する実施の形態における発光部２４）とを備えた光発生手段（例えば、後述する実施の形態における光発生装置２０）が設けられ、前記発光部からの光が前記第１フィルタの前記光触媒に照射されることを特徴とする。
このように構成することにより、空気流以外の動力なしに発光部を発光させ、光触媒を励起状態にすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る燃料電池の空気供給装置の実施の形態を図１から図５の図面を参照して説明する。なお、この実施の形態は、燃料電池自動車に搭載される燃料電池の空気供給装置の態様である。
〔第１の実施の形態〕
初めに、この発明に係る空気供給装置の第１の実施の形態を図１および図２の図面を参照して説明する。
図１は空気供給装置１を備えた燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池２は、固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜２ａをアノード電極２ｂとカソード電極２ｃとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタック（図１では単セルのみ示す）からなり、アノード電極２ｂに燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード電極２ｃに酸化剤としての酸素を含む空気を供給すると、アノード電極２ｂで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２ａを通過してカソード電極２ｃまで移動して、カソード電極２ｃで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。
【００１０】
水素タンクから供給される水素ガスは、水素ガス供給路３を通って燃料電池２のアノード電極２ｂに供給され、消費されなかった未反応の水素ガスは燃料電池２からアノード電極２ｂオフガスとして水素ガス循環路４に排出され、さらに水素ガス供給路３に戻されて循環利用される。
大気から取り込んだ空気はプレフィルタ９で粗大な塵埃を除去された後、コンプレッサ５によって加圧され、空気供給路６を介して燃料電池２のカソード電極２ｃに供給される。空気供給路６には空気中の微細な塵埃、有機物、燃料電池２に対する有害成分（ＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等）を除去する空気浄化装置１０が設けられており、空気浄化装置１０によって清浄にされた空気が燃料電池２のカソード電極２ｃに供給される。燃料電池２に供給された空気は発電に供された後、燃料電池２からカソードオフガスとして空気排出路７に排出され、背圧弁８を介して大気に放出される。
【００１１】
次に、図２を参照して、空気浄化装置１０について詳述する。
空気浄化装置１０は、空気供給路６を構成する円筒状の管体１１に設けられており、光発生装置２０、第１フィルタ３０、第２フィルタ４０を備えている
第１フィルタ３０は静電フィルタ３１に例えばＴｉＯ２などからなる光触媒３２を担持して構成されている。静電フィルタ３１は、電荷をかけて表面を帯電させることにより静電力を発生させ、この静電力で空気中の微粒子を引き付けて捕集するものであり、空気中の有機物も捕集することができる。
【００１２】
この第１フィルタ３０の上流側（コンプレッサ５に近い側）に、光触媒３２を励起させるための光発生装置２０が設置されている。
光発生装置２０は、ブラケット２１を介して管体１１の内壁に支持された発電機２２と、管体１１内の空気流によって回転しその回転力を発電機２２のロータ（図示せず）に伝達するプロペラ（回転体）２３と、第１フィルタ３０の直ぐ上流に配置されて発電機２２から供給される電力で発光する発光部２４と、を備えて構成されている。発光部２４は、紫外光または波長の短い可視光を照射するものであり、例えば、発光ダイオード、有機エレクトロルミネセンス、蛍光灯などで構成することができる。
【００１３】
この空気浄化装置１０においては、燃料電池２に空気を供給しているときには常に発電機２２で発電した電力が発光部２４に供給されるようにされており、発光部２４から光触媒励起用の光が第１フィルタ３０の光触媒３２に向けて照射される。これによって、光触媒３２が光エネルギーを吸収して励起状態になる。
【００１４】
第２フィルタ４０はイオン交換樹脂４１が充填されてなるイオン交換樹脂フィルタ４２で構成されている。イオン交換樹脂４１は陰イオン交換樹脂と陽イオン交換樹脂とが直列に並んで配置され、陰イオン交換樹脂でＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等を吸着させ、陽イオン交換樹脂でＮａイオン等を吸着させるようにしている。どちらのイオン交換樹脂も湿潤状態に保持する必要があり、そのために、第１フィルタ３０と第２フィルタ４０の間に設置された給水管５０から第２フィルタ４０に水を供給できるようされている。
【００１５】
このように構成された空気浄化装置１０においては、管体１１を流れてきた空気が第１フィルタ３０を通過する際に、空気中の微細な塵埃および有機物が第１フィルタ３０の静電フィルタ３１に捕集される。さらに、静電フィルタ３１に捕集された有機物は、光発生装置２０から光を照射されて励起状態となった光触媒３２上で酸化されて分解する。また、空気中に含まれる有害物質（例えば、硫化水素などの硫黄化合物、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯ、ダイオキシンなど）も光触媒３２上で酸化されて分解する。
【００１６】
そして、前記有機物や有害物質中に硫黄、窒素、塩素などが含まれていると、有機物や有害物質の分解の際に、ＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等が生成され、これらは第１フィルタ３０では除去することができず、下流へと流れていく。これらＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等は燃料電池２にとっては有害成分であり、これらが燃料電池２のカソード電極２ｃに供給されると、カソード電極２ｃに含まれる触媒を被毒したり、固体高分子電解質膜２ａの変質を引き起こすなど、燃料電池２に悪影響を与え、燃料電池２の性能が低下する場合がある。
【００１７】
しかしながら、この空気浄化装置１０には、第１フィルタ３０の下流にイオン交換樹脂フィルタ４２からなる第２フィルタ４０が配置されているので、ＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等の有害成分がイオン交換樹脂４１に含まれる水と反応して水和しイオン化して、イオン交換樹脂４１に吸着される。
また、空気中に元々含まれていたＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等も第２フィルタ４０のイオン交換樹脂４１に吸着される。
したがって、この空気浄化装置１０を備えた空気供給装置１によれば、塵埃、有機物、燃料電池２に対する有害成分（ＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等）が除去された清浄な空気を燃料電池２のカソード電極２ｃに供給することができる。その結果、カソード電極２ｃが塵埃の付着によって目詰まりすることがなくなり、電極の目詰まりに起因する燃料電池２の出力低下を防止することができる。また、燃料電池２のカソード電極２ｃに含まれる触媒が被毒することがなく、固体高分子電解質膜２ａが変質することもなく、燃料電池２の性能低下を防止することができる。
【００１８】
また、光触媒３２を励起するための光発生装置２０の駆動源は、コンプレッサ５が燃料電池２に空気を供給するために発生させた空気流であるので、新たなエネルギ源が不要であり、装置構成を簡単化することができる。
【００１９】
〔第２の実施の形態〕
次に、この発明に係る空気供給装置の第２の実施の形態を図３の図面を参照して説明する。第２の実施の形態における空気供給装置１は、空気浄化装置１０の構成の一部が第１の実施の形態のものと相違する。
第２の実施の形態における空気浄化装置１０が第１の実施の形態のものと相違する点を以下に説明する。
第２の実施の形態では、第１フィルタ３０の静電フィルタ３１に光触媒３２が担持される代わりに、酸化触媒３３が担持されている。この酸化触媒３３は、硫黄化合物や一酸化炭素に被毒されにくい金属（例えば、白金−ルテニウム合金やルテニウム触媒等）で構成するのが好ましい。
また、第２の実施の形態では、光触媒３２を使用していないので光発生装置２０も設けられていない。
その他の構成については、第１の実施の形態の空気浄化装置１０と同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００２０】
このように構成された第２の実施の形態の空気浄化装置１０においては、管体１１を流れてきた空気が第１フィルタ３０を通過する際に、空気中の微細な塵埃および有機物が第１フィルタ３０の静電フィルタ３１に捕集される。さらに、静電フィルタ３１に捕集された有機物は、静電フィルタ３１に担持された酸化触媒３３上で酸化されて分解する。また、空気中に含まれる有害物質（例えば、硫化水素などの硫黄化合物、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯ、ダイオキシンなど）も酸化触媒３３上で酸化されて分解する。
【００２１】
そして、前記有機物や有害物質中に硫黄、窒素、塩素などが含まれていると、有機物や有害物質の分解の際に、燃料電池２に対して有害成分となるＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等が生成され、これらは第１フィルタ３０では除去することができず下流へと流れていくが、第２フィルタ４０を通過する際に、ＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等の有害成分はイオン交換樹脂４１に含まれる水と反応して水和しイオン化して、イオン交換樹脂４１に吸着される。
また、空気中に元々含まれていたＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等も第２フィルタ４０のイオン交換樹脂４１に吸着される。
【００２２】
したがって、この第２の実施の形態の空気供給装置１によっても、第１の実施の形態と同様に、塵埃、有機物、燃料電池２に対する有害成分（ＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等）が除去された清浄な空気を燃料電池２のカソード電極２ｃに供給することができる。その結果、カソード電極２ｃが塵埃の付着によって目詰まりすることがなくなり、電極の目詰まりに起因する燃料電池２の出力低下を防止することができる。また、燃料電池２のカソード電極２ｃに含まれる触媒が被毒することがなく、電解質が変質することもなく、燃料電池２の性能低下を防止することができる。
【００２３】
〔第３の実施の形態〕
次に、この発明に係る空気供給装置の第３の実施の形態を図４の図面を参照して説明する。第３の実施の形態における空気供給装置１は、空気浄化装置１０の構成の一部が第１の実施の形態のものと相違する。
第３の実施の形態における空気浄化装置１０が第１の実施の形態のものと相違する点を以下に説明する。
第３の実施の形態では、第１フィルタ３０の静電フィルタ３１の代わりに活性炭フィルタ３４が使用され、この活性炭フィルタ３４に光触媒３２が担持されて第１フィルタ３０が構成されている。
その他の構成については、第１の実施の形態の空気浄化装置１０と同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００２４】
このように構成された第３の実施の形態の空気浄化装置１０においては、管体１１を流れてきた空気が第１フィルタ３０を通過する際に、空気中の微細な塵埃、有機物、および有害物質（例えば、硫化水素などの硫黄化合物、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯ、ダイオキシンなど）が第１フィルタ３０の活性炭フィルタ３４に捕集される。さらに、活性炭フィルタ３４に捕集された有機物および前記有害物質は、光発生装置２０から光を照射されて励起状態となった光触媒３２上で酸化されて分解する。
【００２５】
そして、前記有機物や有害物質中に硫黄、窒素、塩素などが含まれていると、有機物や有害物質の分解の際に、燃料電池２に対して有害成分となるＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等が生成され、これらは第１フィルタ３０では除去することができず下流へと流れていくが、第２フィルタ４０を通過する際に、ＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等の有害成分はイオン交換樹脂４１に含まれる水と反応して水和しイオン化して、イオン交換樹脂４１に吸着される。
また、空気中に元々含まれていたＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等も第２フィルタ４０のイオン交換樹脂４１に吸着される。
【００２６】
したがって、この第３の実施の形態の空気供給装置１によっても、第１または第２の実施の形態と同様に、塵埃、有機物、燃料電池２に対する有害成分（ＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等）が除去された清浄な空気を燃料電池２のカソード電極２ｃに供給することができる。その結果、カソード電極２ｃが塵埃の付着によって目詰まりすることがなくなり、電極の目詰まりに起因する燃料電池２の出力低下を防止することができる。また、燃料電池２のカソード電極２ｃに含まれる触媒が被毒することがなく、電解質が変質することもなく、燃料電池２の性能低下を防止することができる。
【００２７】
〔第４の実施の形態〕
次に、この発明に係る空気供給装置の第４の実施の形態を図５の図面を参照して説明する。第４の実施の形態における空気供給装置１は、空気浄化装置１０の構成の一部が第２の実施の形態のものと相違する。
第４の実施の形態における空気浄化装置１０が第２の実施の形態のものと相違する点を以下に説明する。
第４の実施の形態では、第１フィルタ３０の静電フィルタ３１の代わりに活性炭フィルタ３４が使用され、この活性炭フィルタ３４に酸化触媒３３が担持されて第１フィルタ３０が構成されている。
その他の構成については、第２の実施の形態の空気浄化装置１０と同じであるので、同一態様部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００２８】
このように構成された第４の実施の形態の空気浄化装置１０においては、管体１１を流れてきた空気が第１フィルタ３０を通過する際に、空気中の微細な塵埃、有機物、および有害物質（例えば、硫化水素などの硫黄化合物、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯ、ダイオキシンなど）が第１フィルタ３０の活性炭フィルタ３４に捕集される。さらに、活性炭フィルタ３４に捕集された有機物および前記有害物質は、活性炭フィルタ３４に担持された酸化触媒３３上で酸化されて分解する。
【００２９】
そして、前記有機物や有害物質中に硫黄、窒素、塩素などが含まれていると、有機物や有害物質の分解の際に、燃料電池２に対して有害成分となるＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等が生成され、これらは第１フィルタ３０では除去することができず下流へと流れていくが、第２フィルタ４０を通過する際に、ＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等の有害成分はイオン交換樹脂４１に含まれる水と反応して水和しイオン化して、イオン交換樹脂４１に吸着される。
また、空気中に元々含まれていたＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等も第２フィルタ４０のイオン交換樹脂４１に吸着される。
【００３０】
したがって、この第４の実施の形態の空気供給装置１によっても、第１から第３の実施の形態と同様に、塵埃、有機物、燃料電池２に対する有害成分（ＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等）が除去された清浄な空気を燃料電池２のカソード電極２ｃに供給することができる。その結果、カソード電極２ｃが塵埃の付着によって目詰まりすることがなくなり、電極の目詰まりに起因する燃料電池２の出力低下を防止することができる。また、燃料電池２のカソード電極２ｃに含まれる触媒が被毒することがなく、電解質が変質することもなく、燃料電池２の性能低下を防止することができる。
【００３１】
〔他の実施の形態〕
なお、この発明は前述した実施の形態に限られるものではない。
例えば、前述した各実施の形態では、給水管５０を介して第２フィルタ４０のイオン交換樹脂４１に水を供給するように構成したが、イオン交換樹脂は吸水性が高いので、空気中の水分で十分にイオンを水和することができる場合には、給水管５０を省略することも可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明するように、請求項１または請求項２に係る発明によれば、空気中の塵埃および有機物を第１フィルタで捕集し除去することができ、また、第１フィルタで捕集した有機物を酸化触媒または光触媒で酸化し分解することができ、さらに、この有機物の酸化・分解の際に生じたＮＯ３やＳＯ３やＳＯ４やＣｌ２等の燃料電池に対する有害成分を第２フィルタによって除去することができるので、これら塵埃や有機物やＮＯｘ等の有害成分が燃料電池のカソード電極に供給されるのを防止することができ、電極への塵埃付着による燃料電池の出力低下を防止することができ、カソード電極に含まれる触媒の被毒を防止することができ、電解質の変質を防止することができて、燃料電池の性能低下を防止することができるという優れた効果が奏される。
【００３３】
請求項３に係る発明によれば、空気流以外の動力なしに発光部を発光させ、光触媒を励起状態にすることができるので、新たなエネルギ源が不要であり、装置構成が簡単になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明に係る空気供給装置を備えた燃料電池システムの第１の実施の形態における構成図である。
【図２】 前記第１の実施の形態における空気供給装置の要部断面図である。
【図３】 この発明の第２の実施の形態における空気供給装置の要部断面図である。
【図４】 この発明の第３の実施の形態における空気供給装置の要部断面図である。
【図５】 この発明の第４の実施の形態における空気供給装置の要部断面図である。
【符号の説明】
１ 空気供給装置
２ 燃料電池
２ｂ アノード電極
２ｃ カソード電極
６ 空気供給路
２０ 光発生装置
２３ プロペラ（回転体）
２４ 発光部
３０ 第１フィルタ
３１ 静電フィルタ
３２ 光触媒
３３ 酸化触媒
３４ 活性炭フィルタ
４０ 第２フィルタ
４１ イオン交換樹脂
Claims (3)
- カソード電極に酸化剤としての空気が供給されアノード電極に燃料ガスが供給されて発電をする燃料電池と、
前記燃料電池のカソード電極に空気を供給する空気供給路と、
前記空気供給路に設けられ、静電フィルタと活性炭フィルタのいずれかに空気中に含まれる有機物を酸化し分解する酸化触媒を担持して構成された第１フィルタと、
前記第１フィルタの下流に設けられ、前記第１フィルタの触媒反応によって生成された前記燃料電池に対する有害成分の除去を行う陰イオン交換樹脂を有する第２フィルタと、
を備えたことを特徴とする燃料電池の空気供給装置。 - カソード電極に酸化剤としての空気が供給されアノード電極に燃料ガスが供給されて発電をする燃料電池と、
前記燃料電池のカソード電極に空気を供給する空気供給路と、
前記空気供給路に設けられ、静電フィルタと活性炭フィルタのいずれかに空気中に含まれる有機物を酸化し分解する光触媒を担持して構成された第１フィルタと、
前記第１フィルタの下流に設けられ、前記第１フィルタの触媒反応によって生成された前記燃料電池に対する有害成分の除去を行う陰イオン交換樹脂を有する第２フィルタと、
を備えたことを特徴とする燃料電池の空気供給装置。 - 前記第１フィルタの上流に、前記空気供給路を流れる空気によって回転する回転体と該回転体の回転により発電される電力を供給されて発光する発光部とを備えた光発生手段が設けられ、
前記発光部からの光が前記第１フィルタの前記光触媒に照射されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の空気供給装置。
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